，，，，

(1.中國葛洲壩集團 三峽建設(shè)工程有限公司，湖北 宜昌 443002； 2.中國能建工程研究院 水電施工設(shè)計研究所，湖北 宜昌 443002)

1 研究背景

工程項目的建設(shè)是一個復雜、龐大的系統(tǒng)工程，立體交叉作業(yè)多，由施工現(xiàn)場空間布局與實踐安排的矛盾和沖突引起設(shè)施碰撞等不安全狀態(tài)時有發(fā)生，甚至發(fā)生安全事故[1]。相對于房建、市政工程而言，水電工程在施工過程中需要投入更多的施工設(shè)備，通常這些設(shè)備呈立體交錯布置，且彼此的工作范圍多有重疊現(xiàn)象[2];而且水電工程施工內(nèi)容復雜、項目龐雜，是一個高度動態(tài)的過程，隨著工程規(guī)模不斷擴大，施工項目管理變得極為復雜[3]，施工過程中各作業(yè)面之間的影響更明顯，發(fā)生碰撞的可能性更大。

傳統(tǒng)的碰撞檢測方法不能實現(xiàn)施工全過程的動態(tài)碰撞檢測，也難以與施工管理集成。而4D時空模型描述了場地設(shè)施在施工全過程中的外形表現(xiàn)和空間占有情況，因此能在進行4D施工過程模擬和管理的同時，支持設(shè)施之間、設(shè)施與結(jié)構(gòu)之間的全過程動態(tài)碰撞檢測[4]。這種基于BIM(Building Information Model)的4D施工過程模擬中的動態(tài)碰撞檢測技術(shù)即為時空碰撞檢查技術(shù)。

2 時空碰撞檢查技術(shù)的實現(xiàn)機理

2.1 時空碰撞問題的特點

常規(guī)碰撞檢查方法主要用于設(shè)計BIM模型階段，是為了使多專業(yè)協(xié)同設(shè)計成果更精確、更有深度、更滿足施工標準與現(xiàn)實生產(chǎn)的方法[5]。其重點在于提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，減少“錯、漏、碰、缺”和設(shè)計變更，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。

而時空碰撞問題是施工BIM模型階段的產(chǎn)物，在設(shè)計階段難以預見，卻實際發(fā)生于施工過程之中。時空碰撞檢查技術(shù)與常規(guī)碰撞檢查方法最顯著的區(qū)別在于，它主要用于施工BIM模型階段，常規(guī)碰撞檢查主要解決多專業(yè)之間的碰撞問題，而時空碰撞檢查技術(shù)主要針對某個具體項目可能發(fā)生的施工沖突問題進行檢測，實施難度更高。

2.2 時空碰撞問題的產(chǎn)生

時空碰撞類型主要分為硬碰撞和軟碰撞，軟碰撞又包含間隙碰撞和副本碰撞等。比如施工設(shè)備運行時彼此干擾，或設(shè)備規(guī)劃受到周圍建筑物、已有設(shè)備的空間限制等，此類碰撞類型為硬碰撞，碰撞對象為2個及2個以上施工設(shè)備或施工設(shè)備與建筑物；而平行洞室開挖時掌子面錯距問題，以及大壩相鄰壩塊施工的高差約束問題等碰撞類型則為間隙碰撞，當其相互距離未能滿足安全距離要求時即視為發(fā)生碰撞，碰撞對象為受到空間距離制約的雙方或多方(相互之間不必接觸)。

時空碰撞檢查依托于具體項目而實施，不同的項目發(fā)生時空碰撞的原因也有所不同。下面列舉2例說明。

例1：平行洞室群開挖一般按奇偶號洞分兩序施工，掌子面錯開距離應遵循相應設(shè)計要求。在開挖施工過程中，資源配置及工效、地質(zhì)條件、安全支護、水電能源供應等因素都會影響施工進度，成為時空碰撞的誘因。當掌子面錯距小于允許值時，可能導致地層應力在某一范圍過度集中，影響洞室群整體穩(wěn)定性，造成塌方等災害。

例2：在對大壩混凝土工程施工后期需要補充的大型施工設(shè)備進行規(guī)劃時，補充設(shè)備受到周圍建筑物和已有大型設(shè)備的空間限制，這一類時空碰撞問題跟工程形象、工程進度密切相關(guān)，且影響因素較多，若不提早進行設(shè)備選型、聯(lián)系設(shè)備租用和設(shè)備運輸?shù)?，可能存在一定的進度風險。解決這類問題，要根據(jù)施工需要確定設(shè)備布置部位，弄清補充設(shè)備布置和運行的空間需求，將補充設(shè)備對周圍壩體上升和附近施工設(shè)備運行產(chǎn)生的影響降至最低。

2.3 時空碰撞問題的解決方法

時空碰撞問題的解決思路、方法與步驟如下：

(1)判斷可能發(fā)生沖突的對象，確定碰撞類型，分析碰撞原因和造成的后果。

(2)構(gòu)建沖突對象的三維模型，根據(jù)實際碰撞問題對三維模型進行剖分并劃分任務(wù)單元。

(3)在三維建模的同時，找到施工進度計劃編制的依據(jù)，圍繞沖突對象編制進度計劃，根據(jù)三維模型任務(wù)單元細分程度確定進度計劃的精細程度，在進度計劃中要體現(xiàn)碰撞原因?qū)κ┕みM度的影響。

(4)整合三維模型與施工進度計劃，合理選擇任務(wù)類型并確定公差(即碰撞距離)，執(zhí)行碰撞檢查，導出碰撞檢查報告。

(5)分析碰撞檢查結(jié)果，根據(jù)碰撞發(fā)生的時段、部位、碰撞距離，提出針對具體時空碰撞問題的預警或解決方案。

3 應用實例

3.1 平行洞室群開挖時掌子面錯距問題

3.1.1 洞室群三維建模及施工進度計劃編制

平行洞室群開挖時，沖突對象為相鄰洞室開挖時各自的掌子面，碰撞類型為軟碰撞(間隙碰撞)，根據(jù)時空碰撞檢查流程，先構(gòu)建平行洞室三維模型并劃分任務(wù)單元，同時編制施工進度計劃。

3.1.1.1 平行洞室群三維建模

平行洞室群開挖時掌子面錯距問題實際上牽涉到2個平面之間的距離。結(jié)合現(xiàn)場實際，將每個循環(huán)進尺長度作為1個三維模型任務(wù)單元，對洞室三維模型進行剖分，通過計算2個三維模型單元體頂面之間的距離來反映掌子面錯開的距離。

平行洞室群三維模型采用實體建模方法構(gòu)建，為便于實施碰撞檢查，將洞室群空腔處(設(shè)計開挖輪廓范圍內(nèi))繪制為三維實體，洞室圍巖則不再建模。首先根據(jù)開挖分層分別繪制洞室內(nèi)各層空腔結(jié)構(gòu)三維模型，然后根據(jù)地質(zhì)剖面圖及圍巖等級范圍，結(jié)合開挖斷面、開挖方法初步確定各層開挖進尺，并按照進尺長度對各層空腔結(jié)構(gòu)三維模型進行剖分，每個循環(huán)進尺剖分為1個任務(wù)單元，為每個三維模型任務(wù)單元建立圖層并命名，如3#洞頂層(第1層)第15個循環(huán)進尺所在圖層命名為：C3-1-15。在實際施工中，洞室群開挖進尺根據(jù)當前揭露地質(zhì)情況等因素而定，當圍巖變化時及時調(diào)整，以確保圍巖穩(wěn)定。開挖進尺調(diào)整時，三維模型分塊亦相應調(diào)整。

3.1.1.2 施工進度計劃編制要點

由于地下洞室群開挖施工方案、資源供應、施工環(huán)境等不確定因素的影響，施工工序的持續(xù)時間往往是不確定的，導致施工進度計劃的不確定性。在編制施工進度計劃過程中至少應遵循以下原則：

(1)工期進度滿足關(guān)鍵線路、關(guān)鍵工序要求。

(2)平行洞室群開挖工作掌子面錯距滿足設(shè)計要求。

(3)與洞室群開挖施工資源配置、現(xiàn)場實際施工強度、設(shè)備工效等相適應。

(4)為安全處理、設(shè)備檢修等預留工期。

(5)與現(xiàn)場緊密聯(lián)系，隨時了解各洞室、各開挖分層施工動態(tài)。

(6)根據(jù)現(xiàn)場實際情況(如必須在規(guī)定的時間進行爆破等)合理安排施工程序，必要時加大投入，縮短單位循環(huán)進尺時間。

編制平行洞室群開挖施工進度計劃時，將每個循環(huán)進尺均設(shè)定為1個任務(wù)單元，由于施工人員采取倒班制，可認定施工期間實行全工作日制度，每個工作日工作時間均采用24 h制，任務(wù)單元完成時間以小時為單位計算。

3.1.2 洞室時空碰撞的檢查方法

將平行洞室群施工進度計劃及三維模型導入碰撞檢查軟件，根據(jù)施工進度計劃任務(wù)單元名稱與三維模型任務(wù)單元名稱的一一對應關(guān)系，使施工進度計劃與所有三維模型任務(wù)單元對象自動關(guān)聯(lián)。

以平行洞室群頂層開挖施工為例，根據(jù)頂層開挖掌子面錯距要求設(shè)置間隙公差。由于軟件的工作模式?jīng)Q定了只能自動選擇三維模型單元之間相距最近的2點并計算其距離，無法進行定點檢測，因此公差設(shè)定時應取最小值，以確保第一時間檢測到最近的碰撞部位。公差計算公式的確定參照如下情況。

3.1.2.1 平行洞室群公差計算

在平行洞室群頂層開挖掌子面測距時，公差設(shè)定要考慮洞室間距及任務(wù)單元模型自身尺寸的影響，此時，由勾股定理可得

g2=(s-x)2+d2。

(1)

式中：g為公差；s為設(shè)計掌子面錯距；x為先挖洞室任務(wù)單元進尺；d為洞室間距。

為簡化測距，可使洞室三維模型重合布置，重新導入軟件，此時洞室間距為0，可得

g=s-x。

(2)

3.1.2.2 近似平行洞室公差計算

在轉(zhuǎn)向角在10°以內(nèi)的近似平行洞室(原開挖方向平行，后局部在平面或立面方向有小角度轉(zhuǎn)向)頂層開挖掌子面測距時，分2步進行簡化:首先利用勾股定理計算局部洞室平面小角度轉(zhuǎn)向后在原方向上的投影長度；然后根據(jù)計算結(jié)果建立替代模型(即投影模型)，讓替代模型重疊，此時洞室間距為0，可得

g=s-x′ 。

(3)

式中x′為先挖洞室任務(wù)單元投影進尺。

需要補充說明的是，立面方向的小角度轉(zhuǎn)向一般由洞室擴散段結(jié)構(gòu)和開挖分層導致，投影后不影響公差計算。

3.1.2.3 確定公式中的進尺

洞室開挖進尺根據(jù)實際施工情況而調(diào)整。正常情況下，采用常規(guī)進尺(最大進尺)；圍巖軟弱地段，采用短進尺。根據(jù)式(2)和式(3)，進尺越長，公差越小。因此，上述公式中的“先挖洞室任務(wù)單元進尺”取常規(guī)進尺為宜。

3.1.2.4 確定公差計算公式

綜合以上幾種情況，比較式(2)和式(3)?！霸O(shè)計掌子面錯距”給定，“先挖洞室任務(wù)單元進尺”也已確定為常規(guī)進尺，根據(jù)勾股定理可知投影進尺小于實際進尺，式(2)計算所得公差小于式(3)計算結(jié)果。因此，可以確定公差計算公式為式(2)。

公差確定后，運行軟件選擇相鄰平行洞室進行時空碰撞測試(一條洞室可與其左右兩側(cè)相鄰的洞室同時檢測)，生成碰撞檢查報告，碰撞檢查報告中包含碰撞部位名稱、碰撞部位相隔距離、碰撞發(fā)生時間等信息。同理，對其它相鄰洞室進行時空碰撞檢查，導出檢查報告并進行對比，可以迅速找到最早發(fā)生時空碰撞的洞室編號、碰撞部位和時間，起到對洞室群施工進度預警的效果。

3.1.3 烏東德尾水支洞群開挖掌子面錯距分析

金沙江烏東德水電站左岸地下電站施工招標文件要求：“平行的6條尾水支洞按奇偶號洞分兩序施工，掌子面錯開距離≥50 m”。我們選取6條尾水支洞頂層開挖施工的掌子面，利用時空碰撞檢查技術(shù)對其進行研究，提前預警施工過程中可能發(fā)生的掌子面錯距<50 m的情況，提前采取措施避免碰撞問題的發(fā)生。圖1為尾水支洞群開挖三維模型。

圖1 尾水支洞群開挖三維模型Fig.1 Model of tailrace branch group

按照上述洞室時空碰撞檢查方法，對6條尾水支洞各相鄰洞室頂層開挖模型施工掌子面進行時空碰撞檢查，通過對碰撞檢查報告的分析，提出進度預警。表1為碰撞檢查結(jié)果提取，表2為進度預警。表1中，任務(wù)1-2表示對1#、2#洞室循環(huán)進尺的時空碰撞檢查；任務(wù)3-2/4表示3#洞室分別與相鄰2#、4#洞室的時空碰撞檢查；任務(wù)5-4/6表示5#洞室分別與相鄰4#、6#洞室的時空碰撞檢查，碰撞對象一列無5#與4#洞室的碰撞記錄，表明5#與4#洞室未發(fā)生時空碰撞。

表1 碰撞檢查結(jié)果提取Table 1 Results of collision check

注：表中提到的時空碰撞是指各相鄰洞室循環(huán)進尺各自關(guān)聯(lián)的掌子面之間不滿足錯距要求(即小于臨界距離)

表2 進度預警Table 2 Early warning of the schedule

時空碰撞檢查技術(shù)為尾水支洞群頂層開挖掌子面錯距問題提供了一項進度管控與預警機制，當現(xiàn)場施工環(huán)境變化時，只需對進度計劃進行微調(diào)，繼續(xù)實施檢查，就能夠預見未來一段時間內(nèi)是否有碰撞風險發(fā)生，以便提前做好防范或擬定對策。通過運用該技術(shù)，尾水支洞群開挖施工受地質(zhì)條件、資源投入、設(shè)備工效等因素的負面影響大為降低，掌子面錯距始終控制在合理范圍內(nèi)，不僅避免了工期延誤，還在保證質(zhì)量的前提下加快了施工進程。

3.2 大型施工設(shè)備安裝運行時的空間限制問題

3.2.1 設(shè)備三維建模及運行計劃編排

大型混凝土施工設(shè)備三維建模采用邊界描述法(boundary representation，B-rep)描述設(shè)備靜態(tài)下3D實體外形[4]，運行計劃主要描述動態(tài)下設(shè)備活動空間范圍。設(shè)備三維建模的要點如下。

(1)建模順序：將設(shè)備化整為零，按照從下到上順序，先繪制基本構(gòu)件，然后拼裝成型。

(2)建模精度：要求粗中有細，大部分結(jié)構(gòu)粗略繪制，但需保證關(guān)鍵性尺寸精確無誤。比如在繪制建塔三維模型時，只需確保設(shè)備基礎(chǔ)底座、標準節(jié)、回轉(zhuǎn)部分、臂架等結(jié)構(gòu)豎向高度、平衡臂水平方向的長度精確，其余尺寸近似即可。

設(shè)備運行計劃由多次任務(wù)疊加而成，宜分解為單次任務(wù)進行編排，然后匯總。編制設(shè)備單次任務(wù)運行計劃原則上要考慮以下3點。

(1)任務(wù)類型：主要為澆筑混凝土和吊雜，任務(wù)類型決定了任務(wù)的重要性，以及與其它設(shè)備運行干擾時是否占據(jù)主動。

(2)任務(wù)周期：根據(jù)所吊材料種類、重量、起落點方位、到位難度，確定完成某一次任務(wù)耗費的時間。

(3)運行軌跡：主要由起吊點和落點位置決定。

3.2.2 設(shè)備時空碰撞的檢查方法

設(shè)備時空碰撞的檢查方法與洞室時空碰撞的檢查方法大體一致，也采用了近似法求解，核心思路是利用多個靜態(tài)模型來代替連續(xù)動態(tài)模型實施碰撞檢查。每個靜態(tài)模型均代表設(shè)備在某一時刻的空間形態(tài)，在空間位置上按一定規(guī)律平均分布，能夠從一定程度上相對完整地描述設(shè)備的運行軌跡變化，或者反映在實施檢測的時段內(nèi)設(shè)備在不同方位的工況。

將設(shè)備時空碰撞檢查涉及的三維模型以及相關(guān)進度計劃導入軟件，使進度計劃與三維模型任務(wù)單元自動關(guān)聯(lián)。根據(jù)設(shè)備使用說明書要求并結(jié)合實際情況，合理確定2臺設(shè)備的豎向間距值(或安全距離)，作為設(shè)定公差的參考值。最后實施時空碰撞檢查，對碰撞檢查報告反映的具體問題進行具體分析，提出結(jié)論。

3.2.3 向家壩大型起吊設(shè)備安裝運行工位分析

金沙江向家壩水電站二期基坑進水后，泄洪壩段備倉、門槽埋件安裝與二期混凝土澆筑缺乏相應手段。施工方在對基坑進水后泄洪壩段甲塊一線施工情況進行分析后，建議在泄洪壩段1#和8#壩段甲塊增加2臺平頭建塔。

本實例涉及大型施工設(shè)備安裝運行時的空間限制問題，一方面要檢測平頭建塔與原有塔帶機之間可能發(fā)生的碰撞，另一方面要檢測平頭建塔與周邊建筑物(主要是大壩結(jié)構(gòu))之間可能發(fā)生的碰撞。目的在于指導建塔合理安裝運行，使建塔在達到最大工效的同時，對現(xiàn)場施工的影響降至最低。

根據(jù)建筑塔吊使用說明書要求，2臺設(shè)備必須保證豎向間距E不應<3 m，臂架與標準節(jié)之間的距離D不應<2 m。發(fā)生沖突的對象碰撞類型為間隙碰撞。在檢查平頭建塔平衡臂與周圍壩塊碰撞時，將公差設(shè)定為5 m(考慮安全距離3 m、鋼筋超出倉面高度2 m)。圖2為平頭建塔安全運行間距要求，圖3為塔帶機、平頭建塔運行軌跡模擬。

圖2 平頭建塔安全運行間距要求Fig.2 Safety requirement for flat-head tower

圖3 塔帶機、平頭建塔運行軌跡模擬Fig.3 Simulation of the trajectory of towers and flat-head towers

整合模型并關(guān)聯(lián)進度計劃，執(zhí)行碰撞檢查，導出碰撞檢查報告。通過分析碰撞檢查報告，解決了如下問題：

(1)建塔選型及布置問題,包括建塔型號、布置坐標方位以及首次安裝幾個標準節(jié)等。

(2)設(shè)備安裝時機問題,包括設(shè)備安裝及具備投運條件的具體時間等。

(3)設(shè)備運行影響問題,包括對周邊建筑物施工、其它設(shè)備運行的影響和解決方案。

通過運用時空碰撞檢查技術(shù)對向家壩大型起吊設(shè)備安裝運行工位進行分析，在四維時空場景下系統(tǒng)分析設(shè)備防碰撞等安全問題，幫助工程師們更科學、更高效地制定了建塔安裝運行的一整套實施方案，有效縮短了設(shè)備租賃使用周期，更重要的是，為大壩基坑進水節(jié)點目標的順利實現(xiàn)和大型設(shè)備全施工周期安全運行提供了重要保障。

3.2.4 向家壩水電站塔帶機控制壩段澆筑范圍分析

向家壩水電站泄洪壩段及右岸非溢流壩段混凝土澆筑手段以2臺塔帶機為主，按照相關(guān)規(guī)劃，2臺塔帶機主要承擔泄洪壩段1#—右岸非溢流壩段2#共15個壩段高程350 m以下約246萬m3混凝土澆筑任務(wù)。為精確把握塔帶機實際澆筑范圍，充分發(fā)揮塔帶機性能，同時滿足招標文件控制性工期、混凝土施工強度等要求，結(jié)合混凝土運輸及手段布置原則，選取TB2#塔帶機作為研究對象，運用時空碰撞檢查技術(shù)對其控制壩段澆筑范圍進行分析。

TB2#塔帶機承擔泄洪壩段1#—泄洪壩段7#壩段高程350 m以下混凝土的澆筑任務(wù)，在澆筑過程中，塔帶機布料桿與臨近大壩結(jié)構(gòu)等(包括模板或豎向鋼筋)之間可能發(fā)生的碰撞問題是決定塔帶機澆筑范圍的關(guān)鍵，因此碰撞類型為硬碰撞。通過分析，選定倉面高程為354 m處所對應的倉位，進行模擬澆筑時的碰撞檢查，若滿足澆筑條件，則確定塔帶機澆筑范圍為354 m高程；若不滿足，則選定低一層倉位(351～352 m高程)進行分析，如此逐步確定塔帶機澆筑的最高高程。圖4為布料桿模擬下料工位模型。

圖4 布料桿模擬下料工位模型Fig.4 Simulation of feeder position model

在碰撞測試中，設(shè)置公差為0，檢測混凝土澆筑過程中塔帶機布料桿與壩塊之間的碰撞，導出碰撞檢查結(jié)果。分析碰撞檢查報告，根據(jù)碰撞發(fā)生情況，對發(fā)生碰撞部位的施工進度計劃進行調(diào)整，適當改變壩塊施工先后順序或協(xié)調(diào)其它澆筑手段，在滿足控制性工期要求的同時，減少碰撞發(fā)生，增加塔帶機使用率。對比調(diào)整前后的進度，重點檢查調(diào)整后控制性工期是否滿足招標文件要求，發(fā)現(xiàn)有偏差則繼續(xù)調(diào)整直至滿足。調(diào)整后重新進行碰撞檢查，得出較為合理的施工進度計劃。

通過數(shù)次時空碰撞檢查的實施和進度計劃的微調(diào)，最終確定塔帶機的最高澆筑范圍為351～352 m，該高程以上大壩混凝土澆筑可采取對塔帶機進行加高或者協(xié)調(diào)纜機等其它手段澆筑。

塔帶機供料線是向家壩水電站最為重要的施工手段，通過運用時空碰撞檢查技術(shù)開展超前研究，對塔帶機控制壩段澆筑范圍進行分析，精確獲得塔帶機實際澆筑范圍，對設(shè)備布置方案和項目總體規(guī)劃有較強的指導意義。同時，利用該技術(shù)還有針對性地分析了大壩重點部位混凝土施工強度、澆筑進度、相鄰壩塊高差、金屬結(jié)構(gòu)安裝交面等關(guān)鍵問題，對合理組織施工起到了積極作用。

4 結(jié) 語

基于BIM的時空碰撞檢查技術(shù)在本文列舉的平行洞室群掌子面錯距問題、大型混凝土施工設(shè)備安裝運行的空間限制問題、塔帶機控制壩段澆筑范圍分析等應用實例中，均取得了理想的效果。該技術(shù)的推廣價值和應用前景主要體現(xiàn)在：

(1)其重在研究和模擬四維時空中相關(guān)施工對象的運動關(guān)系，對預防和預警施工中動態(tài)碰撞問題有十分重要的研究價值。

(2)除形成碰撞預警機制外，該技術(shù)還在提出碰撞解決方案、完善現(xiàn)場施工組織管理、規(guī)避施工風險、保障施工進度等方面有較大的推廣價值。

(3)其善于處理如何把握時間控制點、提高空間利用率等問題，尤其是當涉及施工場地布置、洞室群施工、大型施工設(shè)備交錯作業(yè)、建筑物與設(shè)備密集分布等情況時，應用實效頗為突出，在水電工程及其它工程建設(shè)領(lǐng)域均有著廣泛的應用前景。

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